3486

Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного и математического маятников

Лабораторная работа

Физика

Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного и математического маятников, изучение законов колебания маятника, ознакомление с косвенными методами измерения ускорения свободного падения при помощи математического и оборотного...

Русский

2012-11-02

443.96 KB

21 чел.

Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного и математического маятников

  1.  изучение законов колебания маятника; ознакомление с косвенными методами измерения ускорения свободного падения при помощи математического и оборотного маятников.
  2.  изучение колебательных процессов при наличии сил трения, экспериментальное определение коэффициента затухания, логарифмического декремента и добротности крутильного маятника.

Приборы и принадлежности: маятник универсальный ФПМ-04 (далее - маятник), стандартная установка ФПМ-С9.

Элементы теории

Наиболее точные измерения ускорения свободного падения g выполняются с помощью косвенных методов. Многие из них основаны на использовании формулы для периода колебаний физического маятника. Массу маятника и период его колебаний можно измерить с очень высокой точностью, но точно измерить момент инерции не удается. Указанного недостатка лишен метод оборотного маятника, который позволяет исключить момент инерции из расчетной формулы для g.

Рассмотрим тело массы m, способное колебаться относительно точки О и отклоненное от положения равновесия на угол а (рис. 1). Это тело представляет собой физический маятник с моментом инерции I (относительно оси О, перпендикулярной плоскости рисунка).

Приведенная длина физического маятника l - это длина такого математического маятника, период колебаний которого равен периоду колебаний данного физического маятника:

(1) ;

Отсюда , где I - момент инерции маятника относительно оси качаний, т - его масса, S1 - расстояние от центра масс до точки подвеса.

Измерить приведенную длину можно перераспределением масс маятника или изменением положения точки его подвеса.

Точка К, лежащая на перпендикуляре к оси качаний, проходящем через центр тяжести физического маятника на расстоянии l от этой оси, называется центром качаний (математический маятник длины l, подвешенный к оси качаний физического маятника, будет колебаться синхронно с центром качаний).

Приведенная длина маятника

2) .

По теореме Штейнера

3) .

Если заставить маятник колебаться около горизонтальной оси, проходящей через К, его приведенная длина

4) ,

где S2=KC - расстояние от новой оси вращения до центра масс маятника; I0 -момент инерции относительно оси, перпендикулярной плоскости рисунка и проходящей через центр масс маятника. Из рис. 1 следует, что

5) .

Подставим это выражение в формулу (4) и найдем приведенную длину l2:

6) .

Таким образом, центр качаний обладает следующим свойством: если ось пройдет через центр качаний, то новый центр качаний будет расположен на месте старой оси.

Рис. 1

Рис. 2

Из равенства приведенных длин следует равенство периодов колебаний.

Оборотным маятником называется физический маятник, центр качаний которого расположен в пределах колеблющегося тела. Такой маятник можно подвешивать в любой из двух точек О и К (рис. 2) без изменения периода колебаний: T1=T2=T. Взаимозаменяемые точки О и К расположены по обе стороны от центра масс С на расстояниях S1 и S (рис. 2). Моменты инерции относительно осей, проходящих через эти точки, различны:

7) Il=I0+mS1 и I2=I0+mS2.

Периоды колебаний оборотного маятника могут быть выражены:

8) и .

Учитывая равенство периодов, и решая эту систему уравнений, легко получить выражение для ускорения свободного падения:

9) ,

где l = S1 + S2 - приведенная длина маятника.

Крутильный маятник представляет собой массивное тело, скажем диск или брусок (рис. I) подвешенное на тонкой упругой струне или кварцевой нити. При выводе такого маятника из положения равновесия на некоторый угол θ на него со стороны нити начинает действовать упругий момент

(1)

пропорциональный углу поворота θ.

- постоянная, характеризующая момент характеризующая момент упругих сил.

Если струна достаточно тонкая и длинная, то, как показывает опыт, зависимость (1) справедлива и для довольно больших углов закручивания, например θ >2π. Кроме того, затухание крутильного маятника обычно мало. Все это делает его удобным прибором для измерение различных физических величин. Затухание маятника определяется моментом, сил трения, пропорциональным угловой скорости .

(2),

где - коэффициент пропорциональности.

Движение маятника списывается уравнением моментов

(3)

которое с .учетом (1) и (2) легко привести к уравнению осциллятора с вязким трением:

(4)

где J - момент инерции маятника .относительно оси вращения.

 

коэффициент затухания,

 

собственная циклическая частота колебаний маятника.

Период-слабозатухающих колебаний маятника (β << ) примерно равен периоду собственных незатухающих колебаний, т.е. .

(5)

Это выражение указывает простой путь для вычисления если известен момент инерции J, измерить период колебаний маятника T. И наоборот, если измерено, то с помощью (5) можно определить момент инерции J.

Решением уравнения (4) является функимя вида

(6),

где - амплитуда колебаний в момент времени t, - циклическая частота этих колебаний, - начальная фаза, причем

(7)

График функции (6) представлен на рис. 2. Характер движения маятника, т.е. вид функции , сильно зависят от соотношения между коэффициентом затухания и собственной частотой колебаний .

Если << (трение мало), то представляет собой медленно затухающую синусоиду.

Строго говоря, затухающие колебания не являются периодическими, т.к. с течением времени их амплитуда убывает. Амплитудой колебания в момент времени T по аналогии с незатухающими колебаниями называют величину

.

т.е коэффициент при функции в выражении (6). Это определение амплитуды имеет смысл только для слабо затухающих колебаний, когда уменьшение амплитуды за один период является незначительным.

Уменьшение затухающих колебаний за один период T характеризуется логарифмическим декрементом затухания .

(8)

Так как

,

то очевидно, что

(9)

Пусть - число колебаний, по истечении которых амплитуда уменьшается в e≈2,7 раза.

Тогда

или

откуда следует, что

(11)

Для характеристики колебательной системы используется также величина называемая добротностью системы.

(12)

Очевидно, что чем больше добротность системы, тем больше колебаний она совершит при выведении ее из положения равновесия.

ti,с

ti-<ti>,c

(ti - <t>)2,c2

Ni

Ni

1

32,601

-0,0182

3,312410-4

20

0

2

32,611

-0,0082

6,72410-5

20

0

3

32,627

0,0058

3,36410-5

20

0

4

32,639

0,0192

3,686410-4

20

0

5

32,618

0,0012

1,4410-6

20

0

<ti>,c

(ti - <t>),

c

(ti - <t>)2,

c2

<Ni>

(Ni - <N>),

32,6192

-0,0002

8,02210-4

20

0

; (c)

Вычислим случайную составляющую среднеквадратичной погрешности ().

;

= 0,00633 (c)

Подсчитаем суммарную среднеквадратичную погрешность .

; (c)

Вычислим случайную погрешность (сл).

сл = tc; сл = 2,78 (c)

Оценим полную погрешность (h).

t = ; t = (c)

Расчёт среднего значения величины .

<>; <>

<>; < >=0,030656

(мм3)

Расчёт абсолютной погрешности величины .

;   

<Q>;<Q>=3,141520=62,83185 В итоге:

= 0,05

=<>; =0,030656 (мм3)

Q =62,83185

Расчётная часть

l = 0,39 м. (расстояние между крепёжными призмами);

l = 0,4 м. (расстояние между крепёжными призмами);

l = 0,37 м. (длина подвеса маятника);

Вначале рассчитаем погрешность измерения времени t, при c = 10-3 с, k = 1,1 и tc = 4,3:

 

 

с.

 

Вычислим погрешность однократного (сл = 0) измерения величины l для физического маятника, при c = 10-2 м.:

м.

 

Теперь по формуле 0(9) подсчитаем значение g по данным снятым с физического маятника (а):

;

м/с2.

Далее подсчитаем значение g по данным снятым с физического маятника (б):


м/с2.

Вычисления с физическим маятником завершим вычислением (по упрощённой формуле) погрешности косвенной величины g. За относительную погрешность периода колебаний T, примем относительную погрешность измерения времени t:

;

м/с2

Итого для физического маятника получен результат:

g = 9,810,194 м/с2.

Вычислим погрешность однократного измерения величины l для математического маятника, при c = 10-3 м.:

м.

 

Пользуясь тем же выражением, вычислим значение g по данным снятым с математического маятника:

м/с2.


Теперь для математического маятника найдём погрешность величины
g:

м/с2

Для математического маятника получен результат:

g = (9800,521)10-2 м/с2.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46438. Оппозитивные группировки лексики в языке: явление синонимии, омонимии и антонимии в языке 15.68 KB
  Синонимия тип семантических отношений языковых единиц заключающийся в полном или частичном совпадении их значений. Синонимия свойственна лексической фразеологической грамматической словообразовательной системам языка. Синонимия отражает в языке свойства объективного мира. Различаются два основных типа синонимии; семантическая идеографическая и стилистическая синонимия выражаемая словами с одинаковой предметной отнесённостью имеющими различную стилистическую характеристику: верить веровать книжн.
46439. Получение счетов на оплату товаров – заключительный этап выполнения договора 15.77 KB
  Форма расчетов: если иное не предусмотрено договором расчеты должны осуществляться платежными поручениямибанковский перевод Срок оплаты: если в договоре не указан срок оплаты и не предусмотрена предварительная оплата то платеж должен быть совершен сразу после получения товара. Безналичные расчеты между субъектами хозяйствования: Расчеты платежными поручениями. Расчеты по аккредитиву. Расчеты по инкассо Расчеты чеками .
46440. Ремонт деталей класса «Валы». Восстановление шлицевых и шпоночных пазов 15.79 KB
  В процессе эксплуатации у валов и осей изнашиваются посадочные шейки шпоночные канавки и шлицы повреждаются резьбы поверхности валов центрирующие отверстия а также происходит изгиб валов. Характерные дефекты валов: 1 износ повти трения в опорах; 2 износ сопрягаемых повтей с подшипниками качения; 3 разруше или смятие шпоночных пазов; 4 изгиб оси вала; 5 повреждение или износ резьбовых соединений; 6 продольный изгиб вала. Особое внимание при дефектовке уделяют контролю коленчатых валов. Шейки валов имеющие царапины риски и...
46442. Классификация объектов интеллектуальной собственности 15.81 KB
  К объектам промышленной собственности относятся: изобретения; промышленные образцы; полезные модели; товарные знаки; знаки обслуживания; наименование мест происхождения товара. Сделка может заключаться как по одному так и по нескольким патентам на изобретения. Беспатентными являются изобретения на которые поданы патентные заявки но не получены патенты на изобретения; изобретения не патентуемые изобретателями в целях сохранения секретности а также некоторые изобретения не подлежащие патентованию например в таких областях...
46443. Методы обеспечения безопасной эксплуатации МТ 18.25 KB
  Методы обеспечения безопасной эксплуатации МТ В целях обеспечения безопасности определения фактического технического состояния объектов МТ возможности их дальнейшей эксплуатации на проектных технологических режимах для расчета допустимого давления необходимости снижения разрешенного рабочего давления и перехода на пониженные технологические режимы или необходимости ремонта с точной локализацией мест его выполнения и продления срока службы объектов МТ в процессе эксплуатации должно проводиться периодическое техническое диагностирование...
46444. Модернизм XX век 15.87 KB
  Модернизм это масштабное культурное явление которое возникло на рубеже 19 и 20 веков и затронуло практически все сферы человеческой жизни. Модернизм отрицает культурное наследие и реальное воспроизведение действительности использует деформацию образов и субъективное восприятие художника т. Модернизм объединяет множество относительно самостоятельных идейнохудожественных течений: экспрессионизм кубизм конструктивизм сюрреализм абстракционизм попарт.
46445. Организация производственной деятельности 15.95 KB
  Любая производственная деятельность начинается с моделирования идеального проекта включающего в себя: цели и задачи деятельности; способы и средства реализации целей и задач деятельности; исполнителей решающих задачи и обеспечивающих достижение целей деятельности. Моделирование деятельности наряду с организационноэкономическим проектированием является и психологическим процессом реализации личностной активности. Своеобразная готовность реализовать в процессе деятельности весь личностный комплекс мотивационнопотребностных...
46446. Абсцессы и гангрена легких. Понятие. Классификация: клинико-морфологические формы, по этиологии, по механизму проникновения повреждающего агента, по предрасполагающим факторам, по распространению, по тяжести течения 15.98 KB
  Абсцессы А и гангрена Г легких. гангрена. По распространению:I односторонние поражения 1 абсцессы а одиночные б множественные 2 гангрена а лобарная б субтотальная в тотальная II двусторонние поражения1 абсцессы множественные 2 гангрена 3 абсц одного легк и гангрена др.